Ūdens elektrolizators ūdeņradim

Elektrolīze ir daudzsološa iespēja bezoglekļa ūdeņraža ražošanai no atjaunojamiem un kodolresursiem. Elektrolīze ir process, kurā izmanto elektrību, lai sadalītu ūdeni ūdeņradī un skābeklī. Šī reakcija notiek vienībā, ko sauc par elektrolizatoru. Elektrolīzeri var būt dažāda izmēra, sākot no mazām, ierīces izmēra iekārtām, kas ir labi piemērotas maza mēroga sadalītai ūdeņraža ražošanai, līdz liela mēroga, centrālām ražošanas iekārtām, kuras var tieši pieslēgt atjaunojamiem vai citiem siltumnīcefekta gāzi neizstarojošiem veidiem. elektroenerģijas ražošana.

Kā tas darbojas
Tāpat kā kurināmā elementi, elektrolizatori sastāv no anoda un katoda, ko atdala elektrolīts. Dažādi elektrolizatori darbojas dažādos veidos, galvenokārt dažādu iesaistīto elektrolīta materiālu un to vadīto jonu sugu dēļ.

Polimēru elektrolītu membrānas elektrolizatori
Polimēru elektrolīta membrānas (PEM) elektrolizatorā elektrolīts ir ciets speciāls plastmasas materiāls.

Ūdens reaģē pie anoda, veidojot skābekli un pozitīvi lādētus ūdeņraža jonus (protonus).
Elektroni plūst caur ārēju ķēdi, un ūdeņraža joni selektīvi pārvietojas pa PEM uz katodu.
Katodā ūdeņraža joni savienojas ar elektroniem no ārējās ķēdes, veidojot ūdeņraža gāzi. Anoda reakcija: 2H2O → O2 + 4H+ + 4e- katoda reakcija: 4H+ + 4e- → 2H2

Sārmu elektrolizatori
Sārma elektrolizatori darbojas, transportējot hidroksīda jonus (OH-) caur elektrolītu no katoda uz anodu, un katoda pusē tiek ģenerēts ūdeņradis. Elektrolizatori, kuros kā elektrolīts tiek izmantots šķidrs sārmains nātrija vai kālija hidroksīda šķīdums, ir komerciāli pieejami jau daudzus gadus. Jaunākas pieejas, izmantojot cietās sārmainās apmaiņas membrānas (AEM) kā elektrolītu, ir daudzsološas laboratorijas mērogā.

Cieto oksīdu elektrolizatori
Cietā oksīda elektrolizatori, kuros kā elektrolīts tiek izmantots ciets keramikas materiāls, kas paaugstinātā temperatūrā selektīvi vada negatīvi lādētus skābekļa jonus (O2-), ūdeņradi ģenerē nedaudz savādāk.
Tvaiks pie katoda savienojas ar elektroniem no ārējās ķēdes, veidojot ūdeņraža gāzi un negatīvi lādētus skābekļa jonus.
Skābekļa joni iziet cauri cietajai keramikas membrānai un reaģē pie anoda, veidojot skābekļa gāzi un ģenerējot elektronus ārējai ķēdei.
Cieto oksīdu elektrolizatoriem ir jādarbojas pietiekami augstā temperatūrā, lai cietā oksīda membrānas darbotos pareizi (apmēram 700–800 grādi, salīdzinot ar PEM elektrolizatoriem, kas darbojas 70–90 grādu temperatūrā, un komerciālajiem sārma elektrolizatoriem, kas parasti darbojas mazākā temperatūrā 100 grādi). Uzlaboti laboratorijas mēroga cieto oksīdu elektrolīzeri, kuru pamatā ir protonus vadošie keramikas elektrolīti, ir daudzsološi samazināt darba temperatūru līdz 500–600 grādiem. Cietā oksīda elektrolizatori var efektīvi izmantot siltumu, kas pieejams šajās paaugstinātajās temperatūrās (no dažādiem avotiem, tostarp kodolenerģijas), lai samazinātu elektroenerģijas daudzumu, kas nepieciešams ūdeņraža ražošanai no ūdens.

Kāpēc šis ceļš tiek apsvērts
Elektrolīze ir vadošais ūdeņraža ražošanas veids, lai sasniegtu ūdeņraža enerģijas Earthshot mērķi samazināt tīra ūdeņraža izmaksas par 80% līdz USD 1 par 1 kilogramu 1 desmitgades laikā ("1 1 1"). Ūdeņradis, ko iegūst, izmantojot elektrolīzi, var radīt nulles siltumnīcefekta gāzu emisijas atkarībā no izmantotās elektroenerģijas avota. Novērtējot elektrolīzes ūdeņraža ražošanas ieguvumus un ekonomisko dzīvotspēju, ir jāņem vērā vajadzīgās elektroenerģijas avots, tostarp tās izmaksas un efektivitāte, kā arī elektroenerģijas ražošanas radītās emisijas. Daudzos valsts reģionos mūsdienu elektrotīkli nav ideāli piemēroti elektrolīzei nepieciešamās elektroenerģijas nodrošināšanai, jo izdalās siltumnīcefekta gāzes un elektroenerģijas ražošanas procesa zemās efektivitātes dēļ ir nepieciešams degvielas daudzums. Ūdeņraža ražošana ar elektrolīzes palīdzību tiek īstenota atjaunojamās (vēja, saules, hidroenerģijas, ģeotermālās) un kodolenerģijas iespējām. Šie ūdeņraža ražošanas ceļi rada praktiski nulles siltumnīcefekta gāzu emisijas un kritērijus piesārņojošo vielu emisijām; tomēr ražošanas izmaksas ir ievērojami jāsamazina, lai tās būtu konkurētspējīgas ar nobriedušākiem oglekļa bāzes veidiem, piemēram, dabasgāzes reformēšanu.

Potenciāls sinerģijai ar atjaunojamās enerģijas elektroenerģijas ražošanu
Ūdeņraža ražošana ar elektrolīzes palīdzību var piedāvāt sinerģijas iespējas ar dinamisku un periodisku elektroenerģijas ražošanu, kas raksturīgs dažām atjaunojamās enerģijas tehnoloģijām. Piemēram, lai gan vēja enerģijas izmaksas ir turpinājušas kristies, vēja mainīgums ir šķērslis efektīvai vēja enerģijas izmantošanai. Ūdeņraža kurināmā un elektroenerģijas ražošanu varētu integrēt vēja parkā, ļaujot elastīgi novirzīt ražošanu tā, lai tā vislabāk atbilstu resursu pieejamībai ar sistēmas darbības vajadzībām un tirgus faktoriem. Arī laikā, kad vēja stacijās tiek ražota pārmērīga elektroenerģijas ražošana, tā vietā, lai samazinātu elektroenerģiju, kā tas parasti tiek darīts, ir iespējams izmantot šo lieko elektroenerģiju, lai elektrolīzes ceļā ražotu ūdeņradi.

Ir svarīgi atzīmēt...
Mūsdienu elektrotīkla elektroenerģija nav ideāls elektroenerģijas avots elektrolīzei, jo lielākā daļa elektroenerģijas tiek ražota, izmantojot tehnoloģijas, kas rada siltumnīcefekta gāzu emisijas un ir energoietilpīgas. Elektroenerģijas ražošana, izmantojot atjaunojamās vai kodolenerģijas tehnoloģijas, vai nu atsevišķi no tīkla, vai kā pieaugoša tīkla daļa, ir iespējama iespēja pārvarēt šos ierobežojumus ūdeņraža ražošanā, izmantojot elektrolīzi.

Elektrolīzes procesā vienlaikus notiek divi dažādi jonizācijas procesi. Šajā gadījumā konkurē gan ūdens, gan elektrolīts.

Elektrolīts tiek pakļauts tādam pašam jonizācijas procesam kā ūdens. Tāda pati oksidēšanās un reducēšana notiktu elektrolītā.
Tā kā anjons no elektrolīta konkurē ar hidroksīda joniem, lai atdotu elektronu, un katjons sacenšas ar ūdeņraža jonu, lai tiktu reducēts, pieņemot elektronu, elektrolīts ir jāizvēlas uzmanīgi.

Elektrolīta katjonam jābūt ar zemāku elektroda potenciālu nekā H+. Vienmēr atcerieties, ka jebkurā elektrolīzē elektrolīta katjona elektroda potenciālam jābūt mazākam par elektrolizētās vielas katjona elektroda potenciālu un elektrolīta anjona elektroda potenciālam jābūt lielākam par anjona elektroda potenciālu. viela, kas tiek elektrolizēta.

Zaļā ūdeņraža ražošana, izmantojot atjaunojamos enerģijas avotus, ir izraisījusi pietiekamu interesi par ūdens elektrolīzi, lai iegūtu ūdeņradi. Ūdens elektrolīze, izmantojot atjaunojamos enerģijas avotus bez CO2 emisijām, tiek uzskatīta par daudzsološu metodi ūdeņraža ražošanas ātruma palielināšanai. 2020. gadā visā pasaulē tika saražoti aptuveni 87 miljoni tonnu ūdeņraža dažādiem mērķiem, tostarp naftas rafinēšanai, amonjaka (NH3) ražošanai (ar Hābera procesu) un metanola (CH3OH) ražošanai (reducējot oglekļa monoksīdu [CO]) un kā. transporta degviela. Paredzams, ka pieprasījums pēc ūdeņraža līdz 2050. gadam sasniegs 500-680 miljonus tonnu. Ūdeņraža ražošanas tirgus vērtība no 2020. līdz 2021. gadam tika novērtēta 130 miljardu ASV dolāru apmērā, un līdz 2030. gadam tas pieaugs par 9,2% gadā. vairāk nekā 95% no pašreizējās ūdeņraža ražošanas ir balstīti uz fosilo kurināmo, un ļoti maz ir "zaļi". Mūsdienās ūdeņraža ražošana patērē 6% no pasaules dabasgāzes un 2% no pasaules oglēm. Neskatoties uz to, zaļās ūdeņraža ražošanas tehnoloģijas kļūst arvien populārākas.

Elektrolīze ir process, kas izmanto elektrību, lai sadalītu ūdeni H2 un O2. Elektronu plūsma pa vadošu ceļu, piemēram, vadu, ir elektrība. Šis ceļš ir pazīstams kā ķēde. Elektroni pārvietojas elektrisko potenciālu starpības dēļ starp anodu un katodu. Anodā ir vairāk elektronu, un tas ir nestabilāks elektronu drūzmēšanās dēļ. Elektroni vēlas pārkārtoties, lai novērstu atšķirību. Elektroni atgrūž viens otru un mēģina pārvietoties uz vietu, kurā ir mazāk elektronu. Tas ir katods.
Tā kā tīrs ūdens nevada elektrību, ūdens sadalīšana ir lēna redoksreakcija.

Ķīmija
Elektrolizatorā ir viens katods un viens anods, kas savienots ar strāvas avotu. Elektroni vienmēr plūst no anoda uz katodu neatkarīgi no tā. Katods vienmēr atrodas vietā, kur notiek reducēšana, tāpēc tur ir jābūt elektroniem. Oksidācija ir elektronu zudums, un reducēšana ir elektronu pieaugums.
Īsumā, pie negatīvi lādēta katoda notiek reducēšanas reakcija, kad elektroni (e-) no katoda tiek nodoti ūdeņraža katjoniem, veidojot ūdeņraža gāzi.
Katods (reducēšana):2 H2O(l) + 2e− -- > H2(g) + 2 OH−(aq)
Pozitīvi lādētā anodā notiek oksidācijas reakcija, kas rada skābekļa gāzi un dod elektronus anodam, lai pabeigtu ķēdi
Anods (oksidācija): 2 OH−(aq) -- > 1/2 O2(g) + H2O(l) + 2 e−
Šo reakciju kombinācija rada:
2 H2O(l) → 2 H2(g) + O2(g)
H2 tiek ražots pie katoda un O2 pie anoda.
Ūdens elektrolīzei nepieciešama minimālā potenciāla starpība 1,23 volti, lai gan pie šī sprieguma ir nepieciešams ārējais siltums no vides.

Ūdens elektrolīzes bipolāru šūnu skursteņi sastāv no daudzām atsevišķām elektroķīmiskām šūnām elektriskās sērijās. Praksē ūdens elektrolīzes šūnu skursteņi, kas tikko ir apturēti, var saglabāt ievērojamu elektrisko lādiņu, jo katrā šūnā paliek ūdeņradis un skābeklis. Paliekot vienu pašu, var paiet vairākas stundas, līdz šis atlikušais elektroķīmiskais lādiņš izkliedējas. Sistēmas apkopes un apkopes personālam ir jāievēro īpaša piesardzība, mēģinot apkalpot vai nomainīt šos šūnu skursteņus drīz pēc darbības. Piemēram, metāla instruments, piemēram, uzgriežņu atslēga, var netīšām pārvarēt plaisu starp elementu skursteņa pozitīvās strāvas spaiļu plāksni un iezemētu metāla atbalsta rāmi, izraisot lielu strāvu vai elektrisko loku, kā rezultātā rodas bojājumi un savainojumi. Apdraudēts ir arī personāls, kas nevalkā atbilstošus izolācijas aizsardzības līdzekļus.

Apkopes un servisa personāla labākā prakse ir pārbaudīt, vai elementu skurstenī nepaliek ievērojams elektriskais lādiņš, pirms noņemat drošības aizsargus un elektriskos savienojumus no elementa skursteņa. Personālam ir ieteicams veikt elementu skursteņa sprieguma mērījumu, lai pārliecinātos, ka elementu steks ir izlādējies. Dažos gadījumos apkalpojošais personāls kā papildu drošības līdzekli var izmantot arī pareizi izstrādātu apkopes rīku, kas sastāv no augstas strāvas īssavienojuma rezistora pāri izlādētajai šūnu skurstei.

Produkti tiek pārdoti visos Ķīnas reģionos un tiek eksportēti uz pasaules valstīm. Tie ir pārdoti vairāk nekā 20 valstīs un reģionos, tostarp ASV, Vācijā, Marokā, Kenijā, Saūda Arābijā, Vjetnamā, Alžīrijā, Indijā, Tanzānijā un Taivānā. Veiksmīgi nodrošināti labi zināmi uzņēmumi, piemēram, China Aerospace, PetroChina, China Nuclear Group, BYD, Jiuli Specialty, Tony Electronics, Zheng Energy Group un citi labi zināmi uzņēmumi. Ir daudzas zaļās ūdeņraža hidrogenēšanas stacijas, piemēram, Wulanchabu, Haikou, Hainan, Hainan Haikou, Yunnan Kunming uc nodrošina zaļo un ūdeņraža ražošanas projektus.